启动风电场的方法与流程

本发明涉及一种用于启动风电场的方法，该风电场包括多个风力涡轮机，所述多个风力涡轮机可连接在可连接到公用电网的收集器系统中，并且本发明还涉及一种被配置为执行启动方法的风电场。

背景技术：

由于公用系统中的故障或由于风电场的输出连接中的故障或由于低风力条件，风电场可以静止不动（不产生电能）并且可以从公用电网断开。特别地，可能存在公用电网的完全或部分停电。可能存在这样的要求，即风电场被配置用于在连接电力系统完全或部分断电之后重新向整个风电场供电。风电场的黑启动可以被认为是风电场在没有连接到传送用于启动风力涡轮机的电力的公用电网的情况下的启动。

通常，电力系统黑启动可以通过从多个战略定位的发电站购买该服务来实现，这些发电站具有必要的设备以允许它们在没有来自公用系统本身的支持的情况下启动。当输电系统的主干逐渐通电时，更多的不具有黑启动能力的发电站（例如蒸汽涡轮机、燃气涡轮机或风力涡轮机）可以启动，从而帮助支持系统，由此允许负载的逐渐重新连接。通常，使风电场通电的任务主要由公用电网通过其连接的发电机的混合来处理，即，通过在风电场和连接电力系统之间的互连点处闭合断路器来使风电场通电。可能已经进行了试验，其中基于电压源换流器的hvdc站执行黑启动。

通常，用于启动所需的孤岛风电场（即，与公用电网断开的风电场）所需的辅助电力通常可来自柴油发电机或柴油发电机与由已经在风电场中运行的风力涡轮机产生的电力的组合。（特别是在大型海上风电场中的）柴油发电机的问题可能是它们运行昂贵，它们安装昂贵，它们可能需要额外的自升式船只，并且它们需要定期维护和加油。

因此，可能需要一种用于启动风电场的方法，并且可能需要一种能够以快速且可靠的方式从其中风电场与公用电网断开的情况启动的风电场。

技术实现要素：

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的实施例，提供了一种用于启动风电场的方法，所述风电场包括可连接在可连接到公用电网的收集器系统中的多个风力涡轮机，所述方法包括：启动至少一个第一风力涡轮机，以从风能产生电能，从而利用相应的独立于电网的能量供应来进行启动，每个第一风力涡轮机都配备有独立于公用电网的能量供应以及电网形成功能；由第一风力涡轮机执行电网形成功能以在收集器系统中实现参考电压；以及可选地启动至少一个第二风力涡轮机和/或至少一个第三风力涡轮机，以通过转换风能来产生能量，从而利用收集器系统中所提供的能量来进行启动。

收集器系统可以在由（一个或多个）第一风力涡轮机控制的正常电压和频率范围内操作，可选地，一个或多个第二涡轮机可以被启动并且可以执行与第一涡轮机相同的电网形成功能并且通过转换风能来产生能量。

如果在风电场中总共存在n个涡轮机，则可以有x个第一涡轮机、y个第二涡轮机和z个第三涡轮机，其中n=x+y+z，我们将具有x<=n，y＞=0，z＞=0。

该方法可以由风电场的多个单独的风力涡轮机执行，每个风力涡轮机可以有助于启动方法的一部分。该方法可以不需要风电场控制器的协调控制。例如，至少一个第一风力涡轮机中的每一个可以独立于至少一个第一风力涡轮机中的任何其它风力涡轮机和/或还独立于任何（一个或多个）第二风力涡轮机和/或任何（一个或多个）第三风力涡轮机而起作用。该方法可以部分地例如在相应的风力涡轮机控制器中的硬件和/或软件中实现。

每个风力涡轮机可以包括转子轴，多个转子叶片连接在该转子轴处。转子轴可以机械地联接到发电机，例如同步永磁发电机，其在转子轴旋转时产生特别是可变频率的ac功率。在转子轴和发电机之间可以存在可选的齿轮箱。发电机的输出端子可以连接到ac-dc-ac转换器，该转换器可以被配置成将可变频率功率转换成固定频率功率流。每个风力涡轮机还可以包括风力涡轮机变压器，其可以将发电机的输出电压转换为中压。相应风力涡轮机变压器的输出端子可以连接在收集器系统中（或与收集器系统连接），或者其可以至少经由相应风力涡轮机断路器（例如，功率开关）是可连接的。

当执行该方法时，整个收集器系统可以从公用电网断开，并且收集器系统的所有风力涡轮机的所有断路器可以是断开的，使得每个风力涡轮机从收集器系统断开。第一组风力涡轮机可以包括多个第一风力涡轮机，每个第一风力涡轮机包括或配备有各自的独立于公用电网的能量供应，诸如能量存储或柴油发电机等。使用至少一个第一风力涡轮机的独立于公用电网的能量供应部件（诸如偏航系统、变桨系统、加热系统、冷却系统等）可以从独立于公用电网的能量供应接收电力，所述能量供应部件是风力涡轮机产生电能所需的。因此，当存在足够的风时，至少一个第一风力涡轮机可以偏航到风中，转子叶片的桨距角可以适当地调节，并且相应的风力涡轮机转换器可以被控制，以便允许旋转轴被启动（被设置成处于运动中），即，增加其旋转速度。在增加发电机或旋转轴的旋转速度期间，诸如桨距角或转换器控制信号的操作参数可以连续地供应到风力涡轮机的相应部件，以例如实现旋转轴的标称旋转速度。对于操作参数的这种初始调整，可以利用相应独立于电网的能量供应的功率，而不利用在转换器的输出端子处产生的能量。

电网形成功能可以仅在第一风力涡轮机已经连接到收集器系统之后执行。电网形成功能可以操作以使收集器系统达到例如关于电压和/或频率和/或电流的期望的电特性。在收集器系统已经达到足够高的电压之后，可以利用在收集器系统中提供的用于启动的能量或功率来启动第二风力涡轮机和/或第三风力涡轮机。因此，在启动第二风力涡轮机和/或第三风力涡轮机之前，第二风力涡轮机和/或第三风力涡轮机可以已经连接到收集器系统。

由此，该方法提供了包括电网形成算法的黑启动能力。因此，“黑启动”被认为包括即使发电机的主端子被断电（例如，至少一个第一风力涡轮机的转换器的输出端子在开始时被断电）发电机启动的能力。系统恢复可以描述在完全或部分停电之后重建电力网络的过程。该方法可以应用于例如两种情况或两种应用：

1）风电场所连接的电力系统本身已经经历停电并且可能需要重新通电。只要有足够的风，风电场就可以进行内部黑启动，并且

a.闭合风电场断路器并开始给附近的输电系统通电和/或

b.与跨越断开的风电场断路器的输电系统上的频率同步，闭合风电场断路器以将风电场连接到输电系统，并且开始支持电力系统的恢复过程。输电系统可以由另一发电机通电，并且风电场进行内部黑启动的能力可意味着恢复过程可以更快，因为风电场在输电系统已被通电时已经在操作和运行。

2）风电场与主电力系统（公用系统）隔离但可能需要用于其辅助设备的电力。使用风力涡轮机来使本地风电场网络（也称为收集器系统）通电并让风力涡轮机产生本地岛所需的电力消除了（或至少降低了，这取决于风电场设备在没有电力的情况下能经受多久）引入柴油发电机的需要。

本发明的实施例可以包括以下特征：

1）可能需要x个风力涡轮机（例如包括至少一个第一风力涡轮机的第一组风力涡轮机，x≤风电场中的风力涡轮机的数量）中足以黑启动这些单独的风力涡轮机的能量存储量。

2）x个风力涡轮机中的控制算法（也称为电网形成算法），其能够在相应风力涡轮机的能力（例如风的可用功率和转换器中的电流窗口）内斜升转换器电压。

3）x和y个风力涡轮机（y≥0）中的控制算法，其可以参与岛上的负载平衡，并且可以允许风力涡轮机（例如，包括至少一个第二风力涡轮机的第二组风力涡轮机）的不协调的启动。由此，可以不需要参考或主风力涡轮机，因为第二风力涡轮机可以独立地启动并执行控制算法。

4）z个风力涡轮机（z≥0）中的控制算法，其不参与岛上的负载平衡。z个涡轮机可以例如在网络侧转换器控制器上运行电流控制，并且将输出由它们的功率参考直接给出的有功功率。只要有足够数量的电网形成涡轮机在线支持它们的操作，例如maxratio≥z在线/（x在线+y在线），z个涡轮机就可以独立地启动并开始产生有功功率。

5）还可以存在或需要用于高级协调（例如，x个风力涡轮机的释放以在准备好时进行黑启动）的风电场级控制器以及风电场级频率和电压控制。该方法可以在没有风电场级控制的协调的情况下起作用，但是可能需要更多的干预。因此，根据本发明的实施例，提供了一种风电场级控制，其可以允许更多的自我控制过程。风电场控制器可以基于关于已经在线的风力涡轮机的信息来同样地控制z个涡轮机的操作释放。

根据本发明的实施例，该方法还包括启动至少一个第二风力涡轮机，该第二风力涡轮机配备有电网形成功能以从风能产生电能，从而（例如，排他地）利用收集器系统中提供的用于启动风力涡轮机的能量（例如，不使用任何独立于电网的能量供应）；由所述第二风力涡轮机执行所述电网形成功能以在所述收集器系统中实现所述参考电压（例如vref）。

至少一个第二风力涡轮机可以是包括在第二组风力涡轮机中的多个第二风力涡轮机中的一个，第二组风力涡轮机中的每一个都配备有电网形成功能，但不具有（或不使用）任何独立于电网的能量供应，或至少不使用独立于电网的能量供应来启动。为第二组风力涡轮机或为第二组风力涡轮机中的每个第二风力涡轮机提供的电网形成功能可以与为第一风力涡轮机中的每个第一风力涡轮机提供的电网形成功能基本上相似或相同。还向至少一个第二风力涡轮机提供电网形成功能可以便于实现收集器系统的期望的电特性。

根据本发明的实施例，该方法还包括在已经启动第一风力涡轮机之后将第一风力涡轮机连接到收集器系统；和/或在启动第二风力涡轮机之前将第二风力涡轮机连接到收集器系统；和/或在启动第三风力涡轮机之前将第三风力涡轮机连接到收集器系统；和/或自动地使第二风力涡轮机和/或第三风力涡轮机的电输出与第一风力涡轮机的电输出同步，其中第三风力涡轮机中的每一个特别地在第三风力涡轮机的转换器输出端子处执行电流控制。

第一风力涡轮机可以不需要来自收集器系统的任何功率来启动。因此，可以不需要或避免第一风力涡轮机在其已经启动之前连接到收集器系统。第二组风力涡轮机的第二风力涡轮机以及第三组风力涡轮机的第三风力涡轮机都可能需要（或使用）来自收集器系统的能量以用于启动。使连续连接的风力涡轮机（即，第二风力涡轮机和第三风力涡轮机）的电输出（例如，ac输出）同步（例如，关于频率和/或相位）可以在收集器系统中实现期望的电特性。

第三风力涡轮机或第三组风力涡轮机中的任一个可以不执行电网形成功能，但是可以在相应的转换器输出端子处执行（常规的）电流控制以控制输出端子处的电流，从而满足特定的电气要求，诸如例如从电压和功率参考计算的电流参考。

根据本发明的实施例，如果收集器系统电压在预先限定的电压限值之间，则启动第二风力涡轮机和/或第三风力涡轮机。如果收集器系统电压和/或频率在预先限定的限值之间，则其可以指示已经由运行的第一涡轮机产生了足够的能量或功率，使得可以开始使用来自收集器系统的能量的第二和/或第三风力涡轮机的启动。

根据本发明的实施例，由第一风力涡轮机执行电网形成功能包括：以受控方式斜升所述第一风力涡轮机的转换器输出电压，直到达到所述转换器的电流限值和/或功率限值。

在开始时，转换器输出电压可以有效地反映收集器系统上的电压电平，并且可以基本上为零，但是当执行该方法时可以逐渐地或连续地增加。当至少一个第一风力涡轮机连接到收集器系统时，收集器系统电压由此也可以升高，并且可以特别地斜升。

根据本发明的实施例，斜升第一风力涡轮机的转换器输出电压包括监测收集器系统电压的实际频率；基于所述收集器系统电压的所述实际频率与标称频率之间的频率差来导出受限参考电压（例如，vref,受限）；以及基于受限的参考电压来控制第一风力涡轮机的转换器。

监测收集器系统电压的实际频率可以允许确定到收集器系统中的电力供应是高于还是低于收集器系统内的电力需求。当检测到实际频率下降的条件时，可以降低受限参考电压以减小活动系统的负载。由此，可以实现有效的负载平衡，这可以确保进入收集器系统的电力供应基本上匹配收集器系统内的电力需求。

根据本发明的实施例，导出受限参考电压包括：基于测量的收集器系统电压和频率差导出参考电压的最大值、最小值和偏移；基于所述参考电压的最大值、最小值和偏移以及所述参考电压（例如vref）导出所述受限参考电压。

根据本发明的实施例，参考电压和/或受限参考电压低于或等于收集器系统的标称电压，直到通过收集器系统连接的风力涡轮机的风的转换产生的功率基本上匹配收集器系统的有功和/或无功功率需求，此后参考电压和/或受限参考电压大于收集器系统的实际电压。

因此，参考电压可以大于收集器系统的实际电压，但是可以低于收集器系统的标称电压或者可以等于收集器系统的标称电压。由此，可以实现有效的负载平衡，以及有效地并以快速方式使收集器系统电压斜升，直到实现期望的电压（例如，受限的参考电压或参考电压）。

根据本发明的实施例，由第一风力涡轮机执行电网形成功能支持收集器系统的有功和/或无功功率要求，所述收集器系统包括连接到其的风力涡轮机。

由于例如电缆、变压器等中的损耗，收集器系统的部件可能需要持续供应有功和/或无功功率。因此，通过执行负载平衡，可以在收集器系统处实现稳定的期望的电特性。

根据本发明的实施例，特别是由相应的转换器控制器基于初步功率参考（例如pref_涡轮机控制）以及功率参考偏移（例如δpref），导出至少一个第一风力涡轮机和至少一个第二风力涡轮机中的每一个风力涡轮机的功率参考（例如preftotal），基于频率差（例如使用下降控制）并且基于相应的第一风力涡轮机或第二风力涡轮机的最大可用功率（特别是经由钳位），导出所述功率参考偏移。

根据本发明的实施例，第一风力涡轮机和第二风力涡轮机中的每一个的风力涡轮机功率参考由从风电场主最大功率参考（例如pmax_风电场控制）导出的功率限值以及根据频率差特别是使用下降而导出的功率偏移限制。由此，可以实现有效且简单的控制过程，特别是包括具有负载平衡的电网形成算法的控制过程。

根据本发明的实施例，该方法还包括在启动任何第二（和/或任何第三）风力涡轮机之前启动至少一个其他第一风力涡轮机以从风能产生电能，特别是自动地与第一风力涡轮机同步，从而利用相应的独立于电网的能量供应来启动。

如果第一组风力涡轮机中的多于一个的第一风力涡轮机能够独立于收集器系统内提供的电压或功率而启动，则可以以更快的方式达到收集器系统的电特性，并且可以具有更好的稳定性。

根据本发明的实施例，该方法还包括：特别是在风电场控制器处运行同步控制，该同步控制关于将收集器系统电压的幅度和/或相位调节到公用电网的相应值；以及如果收集器系统电压的幅度和/或相位在预先限定的裕度内基本上匹配公用电网的电压的幅度和/或相位，则将收集器系统连接到公用电网。因此，可以确保如果电压同相并且收集器系统频率基本上匹配期望或标称公用电网频率，则收集器系统仅连接到公用系统。

根据本发明的实施例，每个第一风力涡轮机的相应独立于电网的能量供应在通电序列期间从收集器系统断开，但是当收集器系统已经被通电时可连接到收集器系统以用于再充电，其中至少一个第一风力涡轮机中的任一个的独立于电网的能量供应中的至少一个包括以下中的至少一个：柴油和/或氢动力发电机；太阳能电池系统；电能存储器，特别是电池、蓄电池、电容器组。因此，相应的独立于电网的能量供应可能仅能够向相关联的风力涡轮机供应能量，而不能向风电场的任何其他风力涡轮机供应能量。

应当理解的是，关于启动风电场的方法或在启动风电场的方法的上下文中单独地或以任何组合公开、描述或解释的特征也可以独立地或以任何组合应用于根据本发明的实施例的风电场，反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种风电场，其包括能够连接在可连接到公用电网的收集器系统中的多个风力涡轮机，所述风电场适于执行根据前述实施例中的一个的方法。

必须注意的是，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考设备类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中了解到，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为是随本文档公开。

本发明的上述方面和其它方面从要在下文描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例进行解释。现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于所说明或描述的实施例。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的风电场；

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的风电场的（例如，第一）风力涡轮机；

图3示意性地示出了在由图1中所示的风电场的一个或多个风力涡轮机执行的电网形成功能的背景下执行的方法方案；

图4和图5示意性地示出了由图1中示出的风电场的一个或多个风力涡轮机执行的方法方案。

具体实施方式

附图中的图示呈示意性形式。注意，在不同的图中，相似或相同的元件设置有相同或相似的附图标记，或者设置有仅在最后一个字母内与对应的附图标记不同的附图标记。

图1中示意性地示出的风电场100包括至少一个第一风力涡轮机101a、101b、101c，每个第一风力涡轮机分别设置有独立于公用电网的能量供应103a、103b、103c，在其中包括全部连接到公共耦合点107的电缆105（以及潜在的其他部件，如电容器组、变压器、滤波器等）的收集器系统106通过断开风电场断路器111而与公用电网109断开的情况下，所述能量供应可以分别用于启动第一风力涡轮机101a、101b、101c。注意，在此上下文中的风电场断路器限定了孤岛风电场系统与公用电网之间的边界，其例如包括输出线的风电场侧和电网侧以及包括附近公用电网的一部分的扩展风电场网络。在这种情况下，风电场100与公用电网109断开，并且因此也被称为孤岛风电场。

风电场100还包括第二组风力涡轮机，其包括第二风力涡轮机113a、113b，如在第一风力涡轮机101a、101b、101c中那样，所述第二风力涡轮机被配备成执行电网形成功能（该功能由风力涡轮机的灰色指示）。

风电场100还包括第三组风力涡轮机的第三风力涡轮机115a、115b、115c、115d，其既不具有独立于公用电网的能量供应，也不能够执行电网形成功能。

当风电场断路器111闭合时，经由风电场变压器117，公共耦合点107可以连接到公用电网109。为了控制风力涡轮机的功能或操作，还提供了风电场级控制器119，其可以接收外部输入121（诸如关于要求的电压、频率、有功功率、无功功率），并且其可以输出控制信号123到风电场100的所有风力涡轮机，以便控制操作，特别是供应协调信号，例如关于功率限制、关于电压参考等的释放信号。风电场级控制器119还可以能够致动风电场断路器111，以便受控地闭合和断开断路器。此外，经由传感器125、127，例如公共耦合点107和风电场变压器117之间的电特性被感测或测量，并且经由测量信号或传感器信号129供应给风电场级控制器119。测量信号129例如可以包括在公共耦合点107处的频率和/或电压（也对应于收集器系统的电压）的测量值，收集器系统共同地用附图标记106表示。

风电场100能够执行根据本发明的实施例的启动风电场的方法。由此，首先至少一个第一风力涡轮机101a、101b、101c被启动以从风能产生电能（只要存在足够的风），由此分别利用相应的独立于电网的能量供应103a、103b、103c来启动。因此，在已经达到可以开始电力生产的状态之后，相应的第一风力涡轮机101a、101b、101c可以（经由未明确示出的风力涡轮机断路器）连接到收集器系统106。在第一风力涡轮机（例如101a、101b和/或101c）已经连接到收集器系统之后，相应的（一个或多个）第一风力涡轮机可以执行电网形成功能，以用于在收集器系统106内并且因此也在公共耦合点107处实现期望的电气性质。

在收集器系统106被充分通电（例如，已经达到期望的收集器系统电压，诸如收集器系统中的参考电压）之后，第二风力涡轮机和/或第三风力涡轮机115a、115b、115c、115d中的至少一个可以被启动，由此利用来自收集器系统106的能量。由此，未明确描绘的风力涡轮机断路器可以闭合并且将相应的第三风力涡轮机连接到收集器系统106。

在启动第三风力涡轮机115a、115b、115c、115d中的一个或多个和/或将其连接到收集器系统之前或同时，第二风力涡轮机113a、113b中的一个或多个可以被启动并且可以连接到收集器系统。因此，第二风力涡轮机113a、113b也可以执行电网形成功能以进一步将收集器系统电特性、特别是电压和/或频率稳定到期望值。

第一风力涡轮机中的一个或多个可以彼此独立地启动，从而提供分布式黑启动。一旦收集器电网的电特性在期望值内，第二风力涡轮机就可以彼此独立地启动，并且与第一风力涡轮机独立地启动。（一个或多个）第三风力涡轮机一旦被释放以用于操作，就可以独立地启动，但是如果第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的数量减少到支持在线第三涡轮机的数量所需的水平以下，则第三风力涡轮机可以不释放。此外，频率到功率偏移下降（或类似的）可以在第一风力涡轮机和/或第二风力涡轮机的电网形成功能内使用，以平衡由风力涡轮机产生的功率与孤岛收集器系统所需的功率。

特别地，第一风力涡轮机和/或第二风力涡轮机可以配备有相应的电网形成功能，所述电网形成功能可以被配置为允许斜升相应的转换器的相应输出端子处的电压，直到它们达到它们的本地电流或功率限值。特别地，配备（附加的）黑启动的风力涡轮机（例如具有单独的电源的第一组的第一风力涡轮机）可以自主地同步并连接到部分地通电的收集器系统（ac系统），并且可以分担孤岛收集器系统（例如中压系统）的总有功和无功功率负载。第一风力涡轮机和/或第二风力涡轮机的电网形成功能可以支持第三组风力涡轮机（未配备有电网形成功能）的启动和/或操作。因此，第三风力涡轮机可以运行例如网侧电流控制（netsidecurrentcontrol）。

图2示意性地示出了如图1中所示的第一组风力涡轮机中的风力涡轮机101。第一风力涡轮机101包括旋转轴131，多个转子叶片133在该旋转轴处连接。在风的冲击下，旋转轴131旋转，并且由于连接到发电机135的转子，从而提供电能。ac电能被供应给转换器137，该转换器包括发电机侧部分139（例如ac-dc转换器）、dc链路141（例如包括一个或多个电容器）和公用电网侧部分143（例如dc-ac转换器）。在转换器137的输出端子145处，输出有功功率和无功功率（在稳态操作中具有等于电网频率的频率），该有功功率和无功功率进一步被供应到风力涡轮机变压器147，该变压器将输出电压变换为中压。在转换器和风力涡轮机变压器之间，例如可以使用脉宽调制滤波器149和/或电感151。

风力涡轮机控制器155可以接收测量信号，诸如关于在转换器137的输出端子145处或附近的输出电压的测量信号157。风力涡轮机控制器155还可以从风电场级控制器119接收控制信号123，如图1所示。风力涡轮机控制器155可以将控制信号159供应到转换器137，例如控制转子131的旋转速度，并且还特别地以便执行如在模块161中实现的电网形成功能。

为了启动属于第一组风力涡轮机的第一风力涡轮机101，第一风力涡轮机101包括独立于电网的电源163，其可以例如被配置为电存储器或柴油发电机或电池等。在风力涡轮机101启动之前，断开断路器165，当闭合时，断路器将独立于公用电网的电源163连接到基本上转换器137的输出端子。然而，独立于电网的电源163连接到风力涡轮机101的辅助和操作设备。特别地，电源163可以连接或可连接以用于泵或风扇167的能量供应，可以连接到变桨系统169，可以连接到偏航系统171并且可以连接到测量设备173，并且还可以连接到dc链路预充电设备175，其可以全部或至少部分地需要电能以便支持启动风力涡轮机101。

在低风力时段之后，不仅可以启动第一组风力涡轮机中的一个第一风力涡轮机，而且可以启动第一组风力涡轮机中的两个或甚至更多个第一风力涡轮机，并且可以使收集器系统通电，而不是将每个风力涡轮机视为单独的系统。x个第一风力涡轮机可以配备有少量的存储器，其允许它们在给定的小时数内给辅助负载（例如167、169、171、173、175）供电，并且在给出启动命令（例如经由信号123或经由本地设置的命令）时对主转换器dc链路141进行预充电，而不是具有存储的能量和适当大小的柴油发电机，用于使第一群集（例如串或串组）的风力涡轮机通电。

应当注意的是，除了可以通过闭合断路器165实现的可选的“再充电”状态之外，在中压收集器系统106与单独的独立于电网的能量供应163之间不存在直接电连接。

第一涡轮机可以包括x个风力涡轮机，其可以使孤岛中压收集器系统106通电。

当没有足够的风来覆盖系统中的辅助负载和损耗时，风电场系统可以被断电，从而使能够黑启动的第一风力涡轮机处于休眠模式，等待足够的风来启动。此外，如果一组风力涡轮机以协调（或组合）方式起作用（其也可以称为分布式黑启动），则可以最小化跨越低风/无风时段所需的能量存储。考虑m个涡轮机的组，其中m＞4。如果这些风力涡轮机被定向成使得它们全部指向不同的方向，并且这些涡轮机都完全变桨，则当风返回时，这四个风力涡轮机中的一个可以开始旋转。如果这四个风力涡轮机都包含足够的能量存储以维持它们的内部环境控制，则当风启动时，这些风力涡轮机中的一个可以被启用并且开始如上所述地使收集器系统（ac系统）通电。这种第一风力涡轮机现在可以具有足够的发电能力以提供其自身的变桨、偏航和环境控制以及内部系统。因此，在这个阶段，辅助系统167、169、171、173、175可以被供应有来自转换器137的输出端子145的能量。

随着收集器系统上的电压升高，其他完全变桨涡轮机中的一个可以启动，最初通过偏航到风中而不是启动发电，因为这将增加收集器系统电压。这些“选定的风力涡轮机”中的每一个将需要具有在降低的ac电网电压下启动其变桨和偏航控制的能力。一旦这些能够黑启动的风力涡轮机（例如，每个都配备有电网形成算法的第一组风力涡轮机）全部被启用，则可以计算的是，孤岛系统上的ac电压将足够高，使得剩余的风力涡轮机可以使用来自收集器系统的能量启动。这可能意味着收集器系统处的ac电压可能足以使剩余的y和z（例如，第二和/或第三）风力涡轮机（其中第三组未设置有电网形成算法）启动。如果低风/无风时段大于需要干燥的时段，则这些风力涡轮机将需要经历干燥过程，如果涡轮机保持断电，使得湿气可以聚集在部件内，则可能应用该干燥过程。对于电气部件，湿气在通电时会引起闪络，这会损坏部件。为了避免这种情况，在启动之前，将部件加热以允许任何水分蒸发。

对于离岸风电场，应当理解的是，很少有持续>3天的无风状况。

另外，在风力涡轮机之间可以有低额定、较低电压的电缆，以在不需要使主变压器通电的情况下为辅助系统供电。

多序列通电

单个能够黑启动的风力涡轮机（例如第一组风力涡轮机中的风力涡轮机）可能不具有足够的可用功率或无功电流能力来供应孤岛系统上的（有功功率）负载或孤岛系统的无功功率需求。此外，本发明的实施例允许多个（第一或第二或第三）风力涡轮机在不同的时间间隔或时间点连接，使得风力涡轮机之间的紧密时间协调可能不是必需的。具体而言，收集器系统的通电可以以分阶段的方式执行，其中，是所有参与的风力涡轮机的组合努力来使收集器系统通电，即，将收集器系统保持在其中连接的风力涡轮机的数量可以在有功和/或无功功率方面支持完整的电气系统的操作点处。这可以如下在两个层次上进行：

-具有电气系统的顺序构建，即，其中，串电缆被一个接一个地连接，并且在下一个串被连接之前启动每个串上的风力涡轮机。这可以降低能够黑启动的风力涡轮机的总负载。

-在额定电压以下操作，直到足够的风力涡轮机连接到收集器系统（例如在线）以覆盖额定电压下的全部有功和无功功率负载的时间。

所连接的第一黑启动风力涡轮机（第一风力涡轮机或第一组风力涡轮机中的风力涡轮机）将以固定的斜升率（ramprate）使其脉宽调制电压幅度从零斜升，直到达到阈值。该阈值可以是预选值，或者可以由无功功率的绝对值和/或有功功率的绝对值和/或设定的电流限值（例如，总电流）和/或设定电流限值的百分比来驱动。因此，第一风力涡轮机可以将收集器系统电压斜升到极限值。在替代性实施例中，电压可以斜升，直到功率转换器基于主要风力条件或主要风力条件的给定百分比达到其无功功率容量和/或功率容量。这可以确保风力涡轮机（特别是第一风力涡轮机）将永远不会超过其在额定电流等方面的物理限制。然而，孤岛收集器系统的有功和/或无功功率要求可能并且很可能将超过单个（第一）风力涡轮机的能力。随后的和后续的风力涡轮机可以在测量的电压幅度和（相位）角度方面与电气系统（其现在由已经连接的风力涡轮机限定）同步。斜坡变化可以被实现为转换速率限值（slewratelimit）、逐渐释放或类似的饱和，如图3中示意性地示出的。

当接下来的风力涡轮机连接时，它们将从收集器系统的测量电压幅度开始，最初具有零无功功率流，并且因此它们将开始使电压斜升，直到它们达到它们的容量限值或设定阈值，如针对第一风力涡轮机所描述的。控制和同步到小于额定ac电压供应的能力是转换器控制的使能特征（enablingfeature）。当风力涡轮机试图增加收集器系统电压时，斜升电压幅度可以或应当总是大于测量的电压，即v参考，最大≥v测量，并且如果风力涡轮机具有低于测量电压的电压参考，则该风力涡轮机实际上将降低电压。因此，当风力涡轮机使其电压参考斜升时，需要确保斜升值大于或等于测量电压。当该另一第一风力涡轮机连接时，其可以向孤岛收集器系统贡献功率和无功功率，并且因此可以减小先前连接的第一风力涡轮机上的负载，这可以允许两个风力涡轮机都增加收集器系统的ac电压。正是总孤岛负载（有功功率和无功功率）的这种“分担”可以允许对收集器系统进行通电。

当风电场处于被通电到部分电压电平的中间阶段时，可能需要监测所连接的风力涡轮机的能力（其可能由于风力条件等而改变），使得通电水平总是处于与所连接的风力涡轮机的能力匹配的水平。因此，可以确保孤岛中压收集器系统所需的有功功率和无功功率等于连接到孤岛收集器系统的风力涡轮机所产生的有功功率和无功功率。如果例如风力涡轮机在斜升期间断开，则可能需要降低电压电平。如果风力涡轮机断开，则可从风力涡轮机获得的功率将减少。降低中压收集器系统上的电压可以降低有功和无功功率负载。

图3示意性地示出了方法方案177，其可以例如在风力涡轮机控制器155的电网形成功能模块161中实现。电压斜升管理模块179接收v测量，v测量是风力涡轮机低压母线处的电压，例如图2中所示的转换器输出端子145处的电压。电压测量可以给出收集器系统106处的中压可能是什么的良好指示，因为低压和中压侧经由风力涡轮机变压器147电连接，如图2中所示。电压斜升管理模块179还接收表示收集器系统中的实际频率和收集器系统电压的标称频率之间的差的频率误差δf。频率误差δf可以是如图4所示的电网形成转换器控制的输出。信号183（释放）可以是指示转换器是否被释放以进行操作的状态标志（二进制1或0）。信号185（处于限值）是状态标志，其可以指示网侧转换器处于电流限值还是处于功率限值（当由网侧转换器输出到ac系统的功率等于从可用风提取的功率时）。从信号183、185导出电压斜升信号131（是是否使电压斜升的标志）并且由管理模块接收。

v参考，受限189是网侧转换器电压参考。由电压斜升管理模块179输出的v参考，偏移是施加到v参考的偏移，以控制输出电压以在处于限制条件时平衡有功功率或无功功率。v参考，最小值，v参考，最大值由电压斜升管理模块179输出，并被提供给限制v参考的限制元件187。电压斜升管理模块179输出v参考，偏移，其被加到限制元件187的输出，从而导致值v参考，受限，其也称为受限参考电压189。由此，提供了一种用于修改网侧转换器（netsideconverter）的参考电压的装置，其可以例如用于初始电压斜升。

根据实施例，可以应用频率误差与振荡器系统电压的参考偏移之间的下降（droop），如果风力涡轮机不能维持所述频率或者如果存在积累功率误差（例如，经由累积和），则可以激活该下降。还可以进行另一种实现，例如简单地斜坡下降v参考，最大值，直到频率或功率误差已经稳定。也可以使用pi控制器或类似装置。转换器此时可能需要确保其服从来自涡轮机控制器的功率参考，因为转子否则将开始减速。如果使用斜坡，则可能需要在频率或功率误差上设置适当的滞后带，以避免在斜坡上升和下降之间切换。

当电压幅度在正常操作范围内，并且绝对无功/有功/视在功率和/或无功/有功/总电流小于设定限值时，风力涡轮机可以转变为正常电压控制。此时，能量储存器可以恢复到它们的参考水平，例如通过例如闭合图2中所示的断路器165而从低压母线对它们再充电。

负载平衡

当在风电场孤岛上操作风力涡轮机时，有必要在孤岛上供应有功和无功负载，这可以包括在负载可能改变时对有功和无功功率输出的恒定或连续调整。特别地，总负载和收集器系统，即有功功率和无功功率两者，可能是未知的。由于风力涡轮机的自主行为，对于单个风力涡轮机来说，可能还不知道有多少其它风力涡轮机可以帮助分担负载的不平衡。

因此，第一风力涡轮机（即，第一组的风力涡轮机）和第二组的风力涡轮机可以在网桥转换器上运行电网形成算法，其允许它们以不协调的方式联机、对系统电压做出贡献并且抵抗对频率和电压的任何改变。这种电网形成算法也可以是虚拟同步电机（vsm）型控制或如ep3116085a1中所述的功率控制。这可以避免分配供应参考电压并且需要附加层协调的主风力涡轮机的需要，因为电网形成风力涡轮机可以借助于网桥转换器控制以与同步电机类似的方式自动地彼此同步并且可以分担平衡系统的任务。也就是说，风力涡轮机可以具有充当反电动势（emf）的能力，非常类似于同步电机。

孤岛系统的总有功负载可能是未知的并且可能是时变的，因此风力涡轮机需要调节它们的功率产生以匹配该负载。特别地，如果由已经连接风力涡轮机的收集器系统产生的功率超过收集器系统上的负载，则频率将上升，并且如果负载超过功率产生，则相反的情况将发生，即频率将降低。因此，根据本发明的实施例，从电网形成控制输出的频率（例如图4或图5中的频率误差δf）经由下降增益（droopgain）被用于经由如图3中的δpref项来修改功率参考。从而，系统的频率和功率平衡可以被控制。

图3中所示的控制器部分177可以表示电压管理控制模块，其可以响应于频率误差来修改转换器内的有效电压参考。该控制器（例如图3所示的控制器177）可以以任何合适的控制器结构来实现，仅比例、比例微分、超前/滞后等。控制器可以有效地用作传统同步电机上的调节器。

由于所有y个负载平衡风力涡轮机在任何时间点都经受其当地风力状况，所以每个风力涡轮机可能仅具有高达其可用功率（其可以由主风力状况确定）的功率需求（例如图4中的preftotal）。对于频率的任何附加降低，可能需要输出其可用功率的风力涡轮机将对功率的附加需求推送到具有上调空间的其它风力涡轮机，这可能意味着当任何一个风力涡轮机不能产生更多功率时，它将不将其功率需求增加到高于从图4中的主风（pmax（可用功率））可获得的功率，这在其中经由钳位（clamp）191实现。图4中的调节器功能193具有必须服从时变上限的输出，该时变上限由风力涡轮机的可用功率给出。如果由调节器命令的附加功率（图4中的δpref）在主风力涡轮机功率控制之后被添加，调节器功能必须将其输出限制为不大于风力涡轮机的可用功率（或其估计），这是图4中的钳位块191所做的。

特别地，图4中所示的控制方案190示出了涡轮机控制器192和转换器控制器194。涡轮机控制器192包括功率控制模块195，其产生参考功率pref并将其发送到模块197，模块197评估各种内部和外部功率限值，包括从风电场控制接收的集中计算的最大功率pmax。涡轮机控制器192输出参考功率pref以及供应给转换器控制器194的最大可用功率pmax（可用功率）。可用最大功率pmax（可用功率）被供应到输出δpref的钳位（或限制元件）191，δpref是参考功率的偏移，该偏移被添加到从涡轮机控制提供的参考功率pref。该值preftotal被提供给电网形成转换控制器161，其输出频率误差δf，该频率误差被提供给岛模式控制，例如下降增益或调节器193。

替代性地，如图5中所示，由调节器功能命令的附加功率也可以添加到风力涡轮机的主功率控制的限制功能（即，图5中的涡轮机控制块201）。在这种情况下，仅当可用功率高于施加于风力涡轮机的功率参考的限值时，调节器响应（例如通过调节器或岛模式控制器203）才可以是活动的。

例如，虽然图4和图5中所示的功能相同或相似，但是它不一定需要在转换器控制中实现。

只要所有风力涡轮机的组合可用功率至少是总有功功率需求的功率，系统就可以保持通电。用于所述负载平衡控制的频率误差显然可以来自多个来源，例如频率的转换器内部控制、频率的转换器测量、频率的涡轮机控制测量或外部测量单元。

特别地，图5中所示的控制器200包括涡轮机控制器201和电网形成转换器控制205。基于频率误差δf，调节器203（岛模式控制，例如下降增益）输出功率的偏移204，该偏移被加到从风电场控制提供的最大功率pmax。将该和提供给限制模块207，其从功率控制器209接收参考功率pref。模块207输出一参考功率pref（涡轮机控制），该参考功率pref（涡轮机控制）被提供给电网形成转换器控制205，其输出频率误差δf。

使用电网形成算法连同频率到功率偏移下降（假设简单的比例调节器功能）来平衡风力涡轮机的功率产生与孤岛负载，使得多个并联单元能够分担总负载。频率到功率偏移控制有效地用作传统同步电机上的调节器。该控制器可以以任何合适的控制器结构来实现，仅成比例的、比例微分的、超前/滞后的等等，并且可以由滤波器来补充以实现期望的控制响应。

风电场级协调

风电场级协调可以允许更高级别的自动化，但是对于执行上述核心功能不是必需的。可以根据来自风电场级控制或经由风电场级控制传送到风力涡轮机的外部实体的请求来启动黑启动过程。风电场级控制器可以处理在黑启动过程期间在适当时间释放具有适当能力的风力涡轮机的操作的高级协调。当能够黑启动的风力涡轮机已经使收集器系统通电到正常操作范围内时，风电场级控制可以释放风电场中的剩余风力涡轮机，其可以运行完全不同的网桥控制算法，例如传统dq轴电流控制。

由于在确定控制器的参数时，在任何给定时间的总有功负载和连接的风力涡轮机的数量是未知的，因此具有主控制器可能是有用的，所述主控制器调节风力涡轮机的功率调度以使它们减少频率误差。风电场中的辅助设备可以具有它们可以在其中操作的频率范围，并且如果调节器下降（假设基于下降增益的调节器）将针对最坏情况功率不平衡和连接的风力涡轮机的最小数量而参数化，则将需要高增益以便保持在设定的频率范围内。让风电场控制器基于频率的测量值来设置风电场调度（实际上是当前负载的估计），可以允许使用较低的调节器增益，并且减少参数化对现场特定条件的依赖性。由此，风电场调度可以涉及从风电场级控制发送到风力涡轮机的功率限制（例如，在图4中示为pmax（风电场控制））。在执行内部黑启动以便有助于主电力系统重新通电的情况下，当内部黑启动完成并且负责完整系统恢复的实体准备好将风电场带到公用系统上时，需要闭合风电场断路器。

如果输电系统已经由某个其它发电机通电，则风电场断路器的风电场侧上的电压相量必须首先被对准为充分接近电网侧上的相量，使得来自断路器闭合的干扰保持充分小。

同步控制可以在风电场控制器上运行，以调节电压幅度和相位，从而匹配断路器的电网侧上的电压幅度和相位。当误差在同步检查继电器的限值内时，风电场断路器将随意闭合，并且风电场连接到主电力系统。通过以小的（例如100mhz）频率偏移运行风电场网络，可以通过控制风力涡轮机的终端电压和角度误差来限制电压幅度误差。

本发明的实施例的优点可以来自于利用风力涡轮机的分布式性质。每个单个风力涡轮机将可能不能够处理黑启动系统的整个任务，但是它们中的任何k个将能够处理所述任务。上述启动方法对于单独的风力涡轮机保持了很大程度的自主性，因为：

-没有在设备的中心部件上运行的时间关键控制以协调黑启动，以及

-配备有用于黑启动的能量缓冲器的风力涡轮机在它们已经被释放用于黑启动之后的任何时间自由启动，并且如果存在足够的风则将这样做，并且因此为辅助系统提供损耗（并且如果电池存储用于辅助电源，则这也可以被再充电，因此延长电池存储可以维持辅助电源的时段），

-当被通电并运行风电场岛时，具有电网形成控制软件的所有涡轮机平等地分担平衡有功功率和无功功率的任务。在这一点上，如果需要不具有这些能力的风力涡轮机的电力生产以便为有功负载供电，则也可以连接和启动不具有这些能力的风力涡轮机；在这种情况下，它们可以被认为是基本负载风力涡轮机。

-不存在其它风力涡轮机与之同步的“主”风力涡轮机，并且风力涡轮机因此根据当地风力条件而自由地与孤岛电网连接和断开（当然，假设在风力涡轮机之间存在足够的产量以保持风电场通电）。

本发明的实施例开辟了风电场内的一组风力涡轮机可以开始给风电场供电并且然后允许其它风力涡轮机连接并且贡献于总的有功和无功功率负载的可能性。此外，风力场内的另外的风力涡轮机可能不需要以在黑启动风力涡轮机中使用的电网形成控制算法操作，它们可以是标准的电流控制的风力涡轮机。这使得该解决方案潜在地可对现有的风电场进行改造。

应当注意的是，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。